用盐对锂离子电池进行防火处理

可充电锂离子电池为手机、笔记本电脑、其他个人电子产品和电动汽车提供动力，甚至用于储存太阳能电池板产生的能量。但如果这些电池的温度升得太高，它们就会停止工作并可能着火。

这在一定程度上是因为它们内部的电解质是易燃的，当电池充电和放电时，电解质会在两个电极之间运送锂离子。

“电池行业面临的最大挑战之一就是安全问题，因此人们付出了很多努力来制造安全的电池电解液，”斯坦福大学研究生、论文第一作者RachelZHuang说。报告发表在Matter上。

Huang与能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的其他19名研究人员共同开发了一种不易燃的锂离子电池电解质。他们的工作表明，含有这种电解质的电池在高温下仍能继续工作而不会起火。

他们的秘密?更多的盐。

咸味安全

传统的锂离子电池电解质由溶解在液态有机溶剂(如乙醚或碳酸盐)中的锂盐制成。虽然这种溶剂通过帮助移动锂离子来提高电池性能，但它也是一种潜在的起火剂。

电池在工作时会产生热量。如果电池有穿孔或缺陷，它会迅速升温。在140华氏度以上的温度下，电解液中的小分子溶剂开始蒸发，从液体转变为气体，并像气球一样给电池充气——直到气体着火，整个电池燃烧起来。

在过去的30年里，研究人员开发了不易燃的电解质，例如聚合物电解质，它使用聚合物基质而不是经典的盐溶剂溶液来移动离子。然而，这些更安全的替代品不能像液体溶剂那样有效地移动离子，因此它们的性能还没有达到传统电解质的水平。

该团队希望生产一种能够同时提供安全性和性能的基于聚合物的电解质。Huang有了一个主意。

她决定尽可能多地将一种名为LiFSI的锂盐添加到由斯坦福大学博士后学者、该论文的共同第一作者Jian-ChengLai设计和合成的聚合物基电解质中。

“我只是想看看我可以添加多少并测试极限，”黄说。通常，基于聚合物的电解质重量的50%以下是盐。Huang将这一数字提高到了63%，创造了有史以来含盐量最高的聚合物电解质之一。

与其他基于聚合物的电解质不同，这种电解质还含有易燃溶剂分子。然而，在锂离子电池的测试过程中，被称为溶剂锚定不易燃电解质(SAFE)的整体电解质在高温下被证明不易燃。

SAFE起作用是因为溶剂和盐一起起作用。溶剂分子有助于传导离子，其性能可与含有传统电解质的电池相媲美。但是，不像大多数锂离子电池那样在高温下失效，含有SAFE的电池可以在77–212华氏度之间的温度下继续运行。

同时，大量添加的盐类充当溶剂分子的锚，防止它们蒸发和着火。

“这一新发现为基于聚合物的电解质设计指出了一种新的思维方式，”斯坦福大学教授、斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)研究员鲍哲南说，他是黄的顾问。“这种电解质对于开发既高能量密度又安全的未来电池很重要。”

保持粘稠

基于聚合物的电解质可以是固体或液体。重要的是，SAFE中的溶剂和盐可塑化其聚合物基体，使其成为粘稠的液体，就像传统的电解质一样。

一个好处：与其他已出现的不易燃电解质不同，粘性电解质可以装入现有的市售锂离子电池部件中。例如，固态陶瓷电解质必须使用专门设计的电极，这使得它们的生产成本很高。

“有了SAFE，无需更改任何制造设置，”Huang说。“当然，如果它曾经用于生产，则需要优化电解质以适应生产线，但工作量比任何其他系统都要少得多。”

YiCui是SLAC和斯坦福大学的教授，同时也是SIMES研究员，他也是Huang的顾问。“

SAFE的一项应用可能是电动汽车。

如果电动汽车中的多个锂离子电池靠得太近，它们会相互加热，最终可能导致过热和起火。但是，如果电动汽车的电池中装有像SAFE这样在高温下稳定的电解液，那么它的电池就可以紧密地包装在一起，而不必担心过热。

除了降低火灾风险外，这还意味着冷却系统占用的空间更少，电池占用的空间更多。更多的电池增加了整体能量密度，这意味着汽车在充电之间可以行驶更长的时间。

“所以这不仅仅是安全方面的好处，”黄说。“这种电解质还可以让你装入​​更多的电池。”

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